2.2. Электрохимическая обработка грунтов

Одним из нетрадиционных, но перспективных способов технической мелиорации грунтов является электрохимическая обработ-

ка, основанная на воздействии на грунт электромагнитного поля Ссовместно с химическими реагентами.

Этот способ заключается в пропускании через влажный грунт постоянного электр ческого тока, который подаётся в массив посредством погружен я в него металлических электродов. При этом поляр- илиные молекулы воды устремляются к отрицательно заряженному перфорированному электроду – катоду, из которого вода удаляется тем

иным спосо ом, а через полый анод (при необходимости) вводятся хим ческ е реагенты.

Электроосмосбв несколько раз увеличивает скорость осушения глинистых грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сут. При этом из грунта удаляется не только свободная, но и часть рыхлосвязанной воды. Основной феноменологический закон электроосмоса связывает скорость перемещения влаги Vэл (м/сут) с коэффициентом электроосмотической фильтрации грунта Кэ.ф (м2/В∙сут), разностью потенциалов постоянного тока ΔU (В) и длиной пути фильтра-

Рассматр ваемый электрокинетический эффект был открыт в 1809 г. профессором МГУ Ф.Ф. Рейссом и получил название элек-

троосмос.

п – пористость грунта, д.е.

Коэффициент электроосмотической фильтрации для различных грунтов изменяется в пределах от (3 – 8)∙10-5 до (3 – 7)∙10-4 м2/В∙сут.

Наиболее эффективно электроосушение выполняется при определённых показателях (табл. 2.3 [15]).

34

где ρ – плотность грунта, кг/см3; D – объём осушаемого грунта, м3

На первом этапе комплексного осушения основную роль будет играть вакуумный отсос влаги, а на втором – электроосмос.

Кроме направленного перемещения воды в поле постоянного электрического тока, в грунтах происходят электролиз, обменные

35

электрохимические реакции, другие физико-химические процессы, приводящие к осушению грунта, коагуляции глинистых частиц и измене-

нию гранулометрического состава, состава поглощённых катионов и т.п. При этом связные грунты уплотняются и упрочняются, уменьшаются их деформативность и склонность кморозномупучению.

СОбменные процессы представляют собой замещение в водных оболочках грунтовых частиц одних ионов на другие. Так, при элекческой о ра отке одновалентные ионы калия и натрия заме-

Электролиз представляет собой окислительно-восстановитель- ный процесс, происходящий на электродах [15]. В результате анодные электроды разрушаются, подавая в грунт ионы металла (железа или

алюмин я), а катодные восстанавливаются.

тролитщаются на двухтрёхвалентные ионы кальция, железа, алюминия и т.п. В межэлектродном пространстве образуются новые нерастворимые вещества, форм руется олее прочная и устойчивая структура грунта.

На первойбА– интенсивно протекают электрокинетические процессы (электроосмос, изменение толщины водных слоёв и электрокинетического потенциала), начинают развиваться электрохимические процессы (электролиз, перемещение ионов, обменные реакции) и процессы структурообразования (коагуляция частиц, образование агрегатов, кристаллизация химических соединений).

Процесс осушен я и упрочнения связных грунтов имеет три

стадии.

и активно наращивает прочность.Д Третья стадия наступает после электрохимической обработки и

На второй – преимущественное значение приобретают электрохимические и структурообразующие процессы. Накапливаются хими-

ческие соединения, образуются водостойкие связи, грунт уплотняется И

длится несколько лет. При этом усиливается агрегирование частиц, перекристаллизуются гелеобразные вещества, прочность грунта постепенно увеличивается.

Введение электролитов ускоряет переход ко второй стадии процесса, повышает степень необратимости реакций (рис. 2.2, построен по данным [10]).

36

С Р с. 2.2. Вл ян е электролита на деформативность грунта

иВ процессе электрохимической обработки грунт интенсивно уплотняется. За сравн тельно короткий период (20 – 30 суток) влажность связного грунта уменьшается от границы текучести почти до

(на пр мере лёгкого пылеватого суглинка)

вым, А.И. Золатарём, А.Р. Константиновым, А.А. Роде, Б.В. Поляко-

вым, Н.А. Пузаковым, В.И. Рувинским, В.М. Сиденко и многими дру- И

гими исследователями.

В общем случае просыхание грунтов происходит путем физического испарения воды с поверхности и транспирации (испарение влаги растениями). Испарение воды с поверхности открытого поля определяют методами теплового баланса, турбулентной диффузии, водного баланса и эмпирическими методами.

Установлено [13], что интенсивность испарения воды из техногенных грунтов может существенно отличаться от испарения с от-

крытого поля из-за различия в плотности, влажности грунтов, скорости подтока воды к испаряющей поверхности, транспирации влаги растениями и т.п. Поэтому использование общих закономерностей, полученных при исследовании почв, требует внесения коррективов.

37

Для расчёта испарения воды из грунтов методом теплового баланса измеряют радиационный баланс, поток тепла в грунт и тепло-

обмен поверхности грунта с атмосферой. Затраты тепла на испарение, получаемые из алгебраической суммы перечисленных составляющих теплового баланса поверхности, являются мерой интенсивности испа- Срения. По методу теплового баланса необходимо определить среднее

испарение с большой площадки.

Метод турбулентной диффузии основан на измерении вертикального потока водяного пара в приземном слое атмосферы путём

чрезвычайно сложные процессы, определяющие интенсивность водо-

отдачиопределен я град ентов влажности воздуха, его температуры и скорости ветра. Досто нство этого метода в том, что не нужно учитывать

самой спаряющей поверхности. Однако отсутствие дорожно-

синопт ческойбАслуж ы не позволяет использовать этот метод для оп-

ределен я верт кального потока водяного пара над дорогой. Кроме того, необход мо уч тывать, что движение водяных паров в приземном слое атмосферы происходит не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Поэтому поток водяного пара не соответствует количеству воды, которое испаряется с поверхности земляного полотна, а является средним испарением со сравнительно обширной площади.

Величина испарения, определяемая методами теплового баланса и турбулентной диффузии, являетсяДфункцией испарения местности, по которой проходит дорога. Она отражает сумму физического испарения и транспирации воды растениями, так как обычно сеть метеостанций расположена в местности с растительным покровом. Поэтому использование методов теплового баланса и турбулентной диффузии для определения физического испарения водыИиз грунтов при сооружении земляного полотна или при разработке грунтового резерва возможно, но требует внесения определённых поправок.

Метод водного баланса заключается в определении: влагосодержания, участвующего в испарении из слоя грунта в начале и конце периода; суммы осадков за тот же период; поверхностного стока; влагообмена рассматриваемого слоя с нижележащими слоями. Алгебраическая сумма этих компонентов равна количеству испарившейся воды.

Метод водного баланса даёт малую погрешность при определении испарения воды из грунтов земляного полотна только при условии установки соответствующей аппаратуры для измерения стока во-

38

ды с поверхности и влагообмена между слоями грунта. Эти величины можно определить и расчётным путём, но достоверность полученных расчётов сомнительна, так как они зависят от испарения воды, которое само является искомой величиной. Поэтому указанный метод определения испарения воды может использоваться только в научноисследовательских целях.

Для определения испарения в условиях открытого поля широко применяют эмп р ческие формулы, чему способствуют простота

Диффузное испарение происходит, если отсутствует ветер и имеются вертикальные конвекционные потоки воздуха, возникающие в основном от термических причин и чисто молекулярных процессов. Ветер турбулизирует воздух, повышая интенсивность испарения.

39

Первый период испарения продолжается до тех пор, пока iисп не превышает притока собственно-капиллярной или капиллярноподвешенной воды к грунтовой поверхности. В противном случае грунт просыхает в слое ΔS до влажности, соответствующей связанной воде.

СЕсли в слое ΔS отсутствует свободная вода, наступает второй период, который определяется не только метеорологическими факторами, но скоростью подтока плёночной воды, которая находится ниже этого слоя.

наступает трет й пер од и интенсивность испарения определяется

метеоролог ческ , плотностью и толщиной слоя сухого

грунта, через который диффундируют пары. Толщина этого слоя с влажностьюбАн же макс мальной гигроскопичности увеличивается до момента, когда нтенс вность испарения не станет равной притоку воды к гран це слоя.

факторамиКогда влажность грунта ниже максимальной гигроскопичности,

Исследован я показали, что ΔS можно принять равной 5 см при условии, что начальная влажность грунта в этом слое перед испарением воды не ниже оптимальной влажности.

В соответствии с расчётной схемой принято, что непосредственно над поверхностью увлажнённого грунта упругость водяных паров равна максимальной и определяется температурой поверхности.

–влияние которых можно Двыразить через постоянные коэффициенты; И

–требующие непосредственного измерения.пропорционально атмосферному давлению. Причем эти параметры

сами связаны между собой, поэтому в обычных условиях изменение давления воздуха практически не влияет на скорость испарения.

Ко второй группе факторов, от которых зависит интенсивность испарения, относят: температуру и влажность воздуха, скорость вет-

40

ра, плотность и влажность грунта, толщину сухого слоя грунта, через который диффундируют водяные пары в атмосферу.

Ниже представлены результаты исследований этой группы факторов, выполненные В.И. Рувинским.

Результаты опыта при диффундировании пара через слой грунта толщиной 1 см представлены на рис. 2.4. Его плотность и влажность были соответственно равны: для лёгкой супеси 1750 кг/м3 и 1,5%, для тяжёлого пылеватого суглинка 1770 кг/м3 и 3,8%.

пературойдругимивлажностью воздуха. Когда абсолютная влажность воздуха вышебАмакс мальной упругости водяного пара, под слоем грунта конденс руется пар.

Результаты замеров интенсивности испарения при диффундировании пара через слои грунта толщиной 1 и 3 см из лёгкой супеси (плотность сухого грунта 1760 – 1770 кг/м3) и тяжёлого пылеватого суглинка (плотность 1750 – 1760 кг/м3) даны на рис. 2.5. Эти опыты доказали, что между интенсивностью испарения и дефицитом влажности воздуха d существует прямая зависимость, причём толщина вышележащего слоя существенно влияет на величину испарения.

Результаты исследования показалиД[13], что изменение плотности сухого грунта в широких пределах (1610 – 1950 кг/м3) не влияет на интенсивность испарения. Такие результаты получены для всего периода падения влажности грунта – от начальной до оптимальной.

Интенсивность диффузного испарения не зависит от вида капиллярной воды, поступающей к поверхностиИиспарения. Одинаковое испарение наблюдается при капиллярно-подвешенной и собственнокапиллярной воде соответственно в образцах грунта без подтока и с подтоком воды через нижнее основание испарителей.

Зависимость интенсивности испарения от дефицита влажности воздуха имеет тот же вид, что и при диффундировании пара через слой грунта (см. рис. 2.5), но величина интенсивности испарения значительно больше.

В серии опытов (рис. 2.7) интенсивность испарения измеряли в ходе падения влажности грунта от влажности выше оптимальной до гигроскопической влажности. Функцией дефицита влажности воздуха (ГПа) на оси ординат является выражение dlg(1+80/d). В этом случае

41

образцы грунта имели плотность сухого грунта от 1680 до 1920 кг/м3. Наблюдения проводили при различной температуре и влажности воздуха. Как видно из графика, интенсивность испарения влаги не зависит от плотности грунта в указанном интервале влажности (от оптимальной до гигроскопической).

СЗависимость интенсивности испарения от влажности грунта при её начальном значении ниже оптимальной (рис. 2.8) описывается семейством кр вых: чем меньше начальная влажность грунта, тем резче паден е нтенс вности испарения. В этих опытах начальная влаж- рисность грунта колебалась от 11,4 – 11,6 до 5,7 – 6,1%. Образцы имели плотность сухого грунта от 1610 до 1950 кг/м3. Но, как и ранее, изменение плотности в ш роком диапазоне не сказалось на интенсивности испарен я.

между нтенс вностью испарения и воздухоёмкостью грунта (В, %,

. 2.9). Как в дно з графика, интенсивность поступления водяных паров через слой тяжёлого пылеватого суглинка выше, чем через лёгкую супесь, при од наковой воздухоёмкости и толщине слоя грунта. Это, по-видимому, связано с различиями в структуре грунтов. Для исследуемых грунтов отношение углов наклона прямых линий, проведённых на графике, при одинаковой толщине слоёв грунта равно от-

ношению их границ текучести.

Для слоябАгрунта до 5 см существует прямолинейная зависимость

Анализ результатов исследований доказывает, что температура воздуха непосредственно на испарение не влияет. Она проявляется через дефицит влажности воздуха и упругость насыщенного пара на

границе с испаряющей поверхностью.

где iисп(0) – интенсивность испарения при отсутствии ветра, мм/мин; v – скорость ветра на высоте 2,5 м, м/с.

42

43

Расчёты и эксперименты показывают, что при начальной влажности грунтов выше оптимальной интенсивность испарения в течение

Ссоставляет от 0,00012 до 0,00127 мм/сут.

первого периода изменяется от 0,7 до 5,1 мм/сут.

При уменьшении влажности грунтов до Wopt интенсивность испарения знач тельно снижается (см. рис. 2.4 и 2.7). При влажности меньше опт мальной (третий период) интенсивность испарения, как правило, не рассч тывается, так как уменьшается на три порядка и

земляноговлажностиполотна ли карьера необходимы следующие метеорологическ е данные: значения упругости насыщенного пара на границе с

Прогноз спарен я. Для прогноза испарения воды из грунтов

испаряющей поверхностью, а солютной влажности воздуха, дефицита воздуха скорости ветра, а также суммарной продолжительности выпаден я осадков в рассматриваемый период. Значения указанных метеорологических факторов нужно знать для периода между дождями, когда происходит испарение воды. Допускается принимать их значения по среднемесячным данным. В этом случае получают заниженное испарение, что несколько повышает расчётную

между температурой воздуха и поверхностью грунта незначительна. В этом случае вместо (Е – е) в формулах можно принять значение d.

Для таких условий не нужны данные о значениях Е и е. Нужно знать только значение дефицита влажности воздухаИзаданной обеспеченности и среднюю скорость ветра в рассматриваемый период по среднемноголетним данным. Допускается проводить расчёт по формулам (2.10) – (2.12) при среднемесячных значениях скорости ветра более 5 м/с, что несколько завышает интенсивность испарения. Аналогичные допущения могут быть приняты и при расчёте испарения воды в течение первого весеннего месяца и в период зимних оттепелей.

Для прогноза испарения воды необходимы следующие данные по грунтам: начальная влажность грунта в верхнем 5-сантиметровом слое и его оптимальная (допустимая) влажность, а также тип и подтип нижележащего грунта, число его пластичности, влажность, плотность

45

сухого грунта, эпюра влажности и положение горизонта грунтовых вод и верховодки. Последние данные нужны для определения расхода

капиллярной воды, поступающей в указанный слой земляного полотна. При расчёте следует иметь в виду, что в формулах не показаны коэффициенты, равные единице, увязывающие принятые размерно-

Спри нахожден тех ли иных коэффициентов и расчётных величин. Тем не менее эта методика позволяет учесть наибольшее количество

сти.

Рассмотренная выше методика расчёта трудоёмка, она основана на расш ренном объёме исходных данных, встречаются трудности

наиболеераз в 20 лет – 0,9 ГПа, средняя скорость ветра – 4 м/с.

знач мых факторов.

Пр мер. Дорогу строят в Омской области. Грунт в резерве – супесь пылеватая с влажностью в верхнем 5-сантиметровом слое 17,6%, допустимая влажность для тре уемого коэффициента уплотнения 13,6%. Расчётный период – последн й осенн й месяц, дефицит влажности воздуха повторяемостью 1

СуществуетбАупрощённый способ расчётов времени осушения грунтов, предложенный В.М. Сиденко [16]. Этот метод наиболее приемлем для грунтов естественного сложения. Он исходит из следую-

При влажности грунта выше оптимальной расчёт производим по форму-

ле (2.10), пр н мая для осеннего периода d = E – e.

iисп = 25∙10-5∙0,9lg(1+80/09)(1+015∙4) = 0,0007 мм/мин.

Тогда количество воды, испарившейся из грунта Wh в 1 мм слоя за месяц,

составит Wh = 0,0007∙30∙24∙60 = 12,1 мм.

щих посылок: при начальной влажности грунтов в пределах

где WT и WН – относительная влажность грунтаИначальная и по истечении времени Т, сут; α1 – коэффициент, учитывающий вид грунта и влияние температуры воздуха; α2 – коэффициент, учитывающий влияние вида грунта и средней скорости ветра.

Значения коэффициентов α1 и α2 определяются по графикам

(рис. 2.10).

46

Еще более простой, но менее точный способ прогнозирования изменения влажности грунтов в резерве предлагает [9].

Предполагается, что необходимым условием естественного просушивания грунта в слое является наличие отрицательного водного баланса

(2.17)

где ΔWос – возможное приращение влажности от атмосферных осадков; ΔW сп – сн жение влажности вследствие испарения.

Вел ч ну J рекомендуют определять по агротехническим спра-

зонах нтенс вность спарения в зависимости от дефицита влажности воздуха скорости ветра меняется от 2 до 5 л/м2∙сут.

При наличии дождя в период просушивания смещение водного баланса в положительную сторону ориентировочно рассчитывают по формуле

предложенной в ВСН 84-89 [17]. При уклоне поверхности резерва 150 о/оо и более коэффициент стока (отношение количества сбежавшей воды к выпавшим осадкам η = Wст /Wос) определяется по графику (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Зависимость коэффициента стока η от влажности и вида грунта в резерве: 1 – суглинок тяжёлый, 2 – суглинок лёгкий, 3 – супесь

Поправку на фактический уклон Δη определяют по формуле

48

где Уф – фактический уклон поверхности резерва, о/оо.

Тогда величина поправки на возможное приращение влажности грунта от атмосферных осадков в уравнении (2.17) определяется как ΔWос = Wосη. Пересчёт влажности из 1 см слоя Wh в % по массе W

Пр мер. Дорогу строят в районе Алдана. Грунт – суглинок тяжёлый, допустимая влажность для требуемого коэффициента уплотнения составляет 24%. редняя начальная влажность грунта в начале мая в слое 100 см составляет 35% (коэфф ц ент увлажнения 1,4), плотность сухого грунта 1,4 г/см3.

уклон резерва 20 о/оо. Сумма осадков по месяцам дана в табл.2.4.

По агротехническим справочникам или по картам [17] находим величину испарения по месяцам (см. табл.2.4). При начальнойИвлажности грунта 35% по графику (см. рис.2.11) находим коэффициент стока η = 0,86. Вводим поправку на фактический уклон по формуле (2.20) –Δη =(150 – 20)0,002=0,26. При уклоне

20 о/оо коэффициент стока η = 0,86 – 0,26 = 0,60. Тогда величина стока в мае

Wст,V составит 6,1∙0,6 = 3,66 см.

По формуле (2.21) переведём начальную влажность, выраженную в % по массе, в 1 см слоя Wh = 35∙001∙100∙14 = 49 см. Из формулы (2.17) находим конеч-

ную влажность грунта в мае: Wh,V = 49+6,1–6,0–3,66 = 45,44 см, или

WV = 45,44/0,1∙100∙1,4 = 32,5 % по массе.

Находим коэффициент стока при WV = 32,5% с учётом поправки η = =0,83–0,26 =0,57. Отсюда величина стока в июне Wст, VI составит 8,2∙0,57 =

=4,67 см. Влажность для июня Wh,VI = 44,44+8,2–10,0–4,67 = 38,97 см, или WVI = 38,97/0,1∙100∙1,4 = 27,8% по массе.

49